高溫高壓活塞-圓筒式裝置控制系統的設計研究

程 鵬 ，饒建華 ，劉東升

(1.中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074； 2.內蒙古北方重工業集團有限公司產品研究院，內蒙古 包頭 014030)

0 引言

活塞-圓筒式裝置(piston-cylinder apparatus)作為一種結構相對簡易的高溫高壓實驗儀器，廣泛應用于新型材料合成、熱力學和地球科學等研究領域[1-4]。其工作原理是由液壓發生單元產生高壓，通過容器的液壓缸將壓力施加于硬質合金材質的活塞，活塞再擠壓圓筒壓腔中的實驗組件，通過傳壓介質使樣品產生高壓，其壓力和油壓具有良好的線性關系，而高溫環境由石墨電阻爐通電發熱產生，測溫元件常采用熱電偶。目前，中科院廣州地化所、吉林大學、北京大學及中國地質大學(武漢)等單位的實驗室均有活塞-圓筒式裝置在使用，主要依賴進口，其結構復雜，成本較高，而國產儀器仍然與世界先進水平有不小差距。

本文基于現有高溫高壓活塞-圓筒式裝置機械系統，開發了一種以工業觸摸屏、PC-PLC、溫控器為整體方案的控制系統，目的是實現加壓(溫)、保壓(溫)和減壓(溫)過程的全自動高精度控制。

1 活塞-圓筒式裝置的機械系統

活塞-圓筒式裝置機械系統為高溫高壓的產生提供物質基礎，高溫由石墨爐通電產生，其溫度由溫控器改變調功器輸出控制；而高壓環境由液壓加載系統推動液壓缸作用于樣品產生，本文液壓系統的設計壓力為100 MPa，其液壓原理如圖1所示。

圖1 液壓系統原理

其工作原理如下所述。

a.加壓和保壓時。調整相應液壓閥的狀態，油液通過液壓管路進入容器液壓缸上腔體，使其活塞到位，操作相應的超高壓液壓閥，使增壓器的高壓端與容器液壓缸上腔體連通，進入加壓階段，此時與低壓端連通的液壓泵泵油，對低壓端進行加壓，使高壓端的壓力按目標速率上升，對其進行加壓時，容器液壓缸下腔體的油液經液壓閥后回油箱。

b.減壓時。根據實際需求改變液壓閥門的狀態，在高壓段，通過控制減壓缸以達到減壓，在低壓段，通過控制液壓泵和比例閥以達到較大速率的減壓效果。

c.減壓結束后。改變超高壓液壓閥的狀態，打開油液泵向容器液壓缸下腔體泵油，使容器液壓缸上腔的油液經液壓閥后回到油箱，使容器液壓缸活塞退回起點，至此，壓力加載系統控制的整個過程完成。

2 活塞-圓筒式裝置控制系統設計

2.1 控制系統硬件設計

控制系統主要包括工業觸摸屏、PC，以及分別控制壓力和溫度的控制器4大部分。工業觸摸屏以及PC都提供了通信協議，用于與PLC和溫控器通信[5-7]，操作者在工業觸摸屏及PC上可直接設置參數，可監視數據。在壓力控制中，需控制2個伺服電機驅動器和比例閥，需采集油壓傳感器、拉桿傳感器和拉線傳感器的模擬信號，使用了有2個串口的PLC作為本文的壓力控制器，并按照需求擴展了模擬量輸入輸出模塊。在溫度控制中，選用了可編程溫控器作為控制器，其通過通信端口與工業觸摸屏和 PC通信，可以通過熱電偶采集樣品加熱溫度，并可按設定好的參數對溫度進行控制，整個控制系統的硬件原理如圖2所示。

圖2 控制系統的硬件原理

2.2 控制系統軟件設計

按照活塞-圓筒式裝置的實際工況，軟件系統應包含以下3個功能。

a.具有手動和自動操作模式。在手動模式時操作者可設置調功器的輸出以及各伺服電機的轉速；自動模式時能夠根據操作者的設定參數進行控制，對于壓力控制，需要能夠進行自動加壓、保壓及減壓，同樣，對于溫度控制，需要能夠進行自動升溫、保溫和降溫。

b.系統具有報警功能。由于活塞-圓筒式裝置在工況下壓力很大，如若壓力發生較大的波動，將造成相當嚴重的后果，所以程序在壓力(溫度)超過一定波動范圍或超過上限時，能夠穩妥地處理并對操作人員發出報警信息。

c.系統具有簡潔實用的交互界面，能夠實時顯示各項控制參數，能夠繪制變化曲線，并且能夠完成數據保存供實驗后的分析。

本文選用了DOP-W105B型工業觸摸屏，在其編程軟件中可以完成畫面、按鈕等簡單功能，對于數據操作處理等復雜功能需要借助宏功能實現。根據系統需求，需要在工業觸摸屏上可以設置系統參數，可以查看壓力(溫度)目標曲線，數據可以導出。用戶可以操作觸摸屏，實現手動或自動控制壓力和溫度。對于壓力控制區，用戶可觸摸操作完成壓力控制參數的設置，壓力控制界面如圖3所示。

圖3 壓力控制界面

圖3中，①為自動手動按鈕，用于切換壓力控制狀態；②為目標壓力及目標加(減)壓速率；③為控制模式，分別有加壓、減壓、保壓及停止4種狀態；④在自動狀態時為顯示控件，分別顯示液壓泵伺服電機轉速及減壓缸伺服電機轉速，而在手動狀態時為輸入空間，可手動輸入2個伺服電機轉速；⑤為目標壓力及當前壓力的顯示曲線；⑥為當前壓力值顯示；⑦為最高壓力設置；⑧為拉線傳感器與拉桿傳感器位置。

對于溫度控制，工業觸摸屏與溫控器均有RS485及RS232通信接口，考慮到控制柜中具有調功器及伺服電機驅動器等強干擾源，選擇工業觸摸屏與PLC通過抗干擾能力更強的RS485方式連接，在DOPSOFT軟件需對工業觸摸屏通信參數進行設置，使之與溫控器相一致，對于溫控器的控制是通過ModBus RTU協議實現[8-9]，如此工業觸摸屏可修改溫控器中寄存器的值。對于溫度控制區，用戶可觸摸操作，完成溫度控制參數的設置，溫度控制界面如圖4所示。

圖4 溫度控制界面

圖4中，①為自動手動按鈕，用于切換溫度控制狀態；②為目標溫度及目標升(降)溫速率；③為控制模式，分別有升溫、降溫、保溫及淬火4種狀態；④為輸出百分比的上下限設置，以防發生熱電偶斷開時溫度發生劇烈變化；⑤為目標溫度及當前溫度的顯示曲線；⑥為當前溫度值顯示；⑦在自動模式時為顯示控件，顯示當前溫控器輸出百分比，而在手動模式時為輸入控件，可手動寫入溫控器的輸出；⑧為溫控器輸出百分比的柱狀圖。

2.3 基于變比例PID的壓力控制策略

常用的PID控制策略是基于偏差的反饋控制，連續 PID 算法表達式為

(1)

將其離散化后，適用于PLC的數字式PID控制輸出可以表示為

KD[e(k)-e(k-1)]

(2)

KP，KI和KD分別為比例增益、積分和微分系數。較優的PID參數可能只適合在某一條件下運行，當工況變化后其參數可能需要再次進行調整，才能使其達到較優狀態。常用的PID參數調節控制算法有分段式PID控制算法與模糊PID控制算法等。分段式 PID 簡單實用，但其缺陷在于分段切換點誤差較大，控制精度的提高有限，而模糊PID控制算法中的模糊控制規則主要根據經驗定義，調試周期較長。

由實際測試可知，系統輸出壓力較小時，比例增益過大容易導致超調，柱塞泵泄漏量隨系統輸出壓力增大而增大，此時比例增益過小又使系統輸出難以快速響應，從而導致誤差增大。

本文根據系統特點，提出一種變比例PID控制算法，即比例增益隨著被控量的目標值變化而變化，將比例系數與超高壓柱塞泵的目標壓力設定為線性關系，即

KP=a·P+b

(3)

KP為PID比例增益；P為系統壓力控制目標值；a和b為常數，其值通過不同目標值最優比例增益結果擬合得到。KI和KD也可通過類似擬合曲線動態調整，但由于其最優結果不具有較好的線性關系，所以本文采用了目標中間值的一組最優KI和KD值。

將比例增益設置為以控制目標值為自變量的時變函數，使其隨著控制目標的增高而增大，其本質是一種一維的自適應模糊控制，且模糊控制區間被無限細分，其優勢在于僅通過少量參數整定實驗就可得到所需設置參數，使用方便，控制精度高。

本文需對液壓泵、液壓比例閥和減壓缸分別采用變比例PID控制策略，達到壓力控制效果，其控制流程如圖5所示。

圖5 壓力控制流程

3 系統調試

根據設計方案搭建完成的系統整體如圖6所示。

圖6 搭建完成的系統整體

為測試控制系統效果，在搭建的系統平臺進行了壓力與溫度控制實驗，壓力控制實驗設計為以3 MPa/min速率升壓至100 MPa，經過30 min保壓后，以1 MPa/min速率減壓，過程誤差如圖7所示。由圖7可知，壓力控制誤差控制在±0.6 MPa。

溫度控制實驗設計為以20 ℃/min速率升至800 ℃，經過30 min保溫后以30 ℃/min速率降溫，過程誤差如圖8所示，誤差控制在±3 ℃。壓力控制與溫度控制的測試結果證明整個控制系統在功能和精度上都完全符合設計要求。

圖8 溫度控制誤差

4 結束語

本文設計了高溫高壓活塞-圓筒式裝置的控制系統，該系統以工業觸摸屏、PC-PLC、溫控器為核心，采用工業觸摸屏與PC實現使用和調試時的人機交互，利用溫控器實現溫度的精確控制，提出一種變比例PID控制策略，并基于PLC平臺實現了壓力的精確控制。在搭建平臺上的溫度壓力控制實驗表明，所設計的控制系統能夠穩定可靠地精確控制溫度和壓力。控制系統的各項性能滿足高溫高壓活塞-圓筒式裝置的需求。